Расчет трансформатора 250/20/0, 69

тм-250 20 0.69.cdw

Спецификация.spw

Расчет трансформатора.docx

Саратовский Государственный Технический Университет
Кафедра: Электроснабжение промышленных предприятий
по предмету: Электромеханика
«Расчет трехфазного трансформатора»
студент группы ЭПП-31
Расчет основных электрических величин трансформатора
Расчет основных размеров трансформатора
1. Выбор магнитной системы и материала обмоток.
2. Предварительный выбор конструкции обмоток.
3. Определение размеров главной изоляции обмоток
4. Определение диаметра стержня и высоты обмотки.
Расчет обмоток НН и ВН
1. Расчет обмоток НН
2. Расчет обмоток ВН
Расчет параметров короткого замыкания.
1. Определение потерь короткого замыкания.
2. Расчет напряжения короткого замыкания
3. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании.
Расчет магнитной системы трансформатора
1. Определение размеров магнитной системы
2. Определение потерь холостого хода трансформатора.
3. Определение тока холостого хода трансформатора
Тепловой расчет трансформатора
1. Тепловой расчет обмоток трансформатора
2.Тепловой расчет бака трансформатора
3. Расчет превышений температуры обмоток и масла в трансформаторе.
Расчет трехфазного трансформатора включает в себя электромагнитный расчет тепловой расчет и расчет системы охлаждения.
Электромагнитный расчет включает в себя:
- определение основных электрических параметров (линейных и фазных токов и напряжений испытательных напряжений активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания);
- определение основных параметров трансформатора (выбор магнитной системы выбор марки и толщины стали выбор индукции в магнитной системе предварительный расчет трансформатора и выбор соотношений основных параметров определение диаметра стержня и высоты обмотки определение активного сечения стержня предварительный выбор конструкции обмоток выбор конструкции и размеров главной изоляции обмоток);
- определение параметров короткого замыкания (потерь и напряжения короткого замыкания);
- окончательный расчет магнитной системы (определение размеров и активных сечений сердечника определение массы стали определение потерь и тока холостого хода).
Рассчитать силовой трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением.
Полная мощность трансформатора: S=250 кВА.
Номинальное линейное напряжение обмотки ВН: U1н=20 кВ.
Номинальное линейное напряжение обмотки НН: U2н=069 кВ.
Ток холостого хода: i0=23%.
Потери холостого хода: Рх=0820 кВт.
Напряжение короткого замыкания: uк=65%.
Потери короткого замыкания: Рк=3700 кВт.
Частота тока в сети: f=50 Гц.
Соединение обмоток: Δ – 11
Способ регулирования напряжения число ступеней и пределы регулирования: ПБВ 2*25%.
Материал сердечника и обмоток: холоднокатаная анизотропная легированная сталь 3404 и алюминий.
Режим работы и способ охлаждения: длительный естественный масляный.
Характер установки: внутри помещения.
Расчет основных электрических величин трансформатора.
Для выполнения электромагнитного расчета трансформатора необходимо определить основные электрические величины: мощность на одну фазу и стержень номинальные токи на стороне ВН и НН фазные токи и напряжения составляющие напряжения короткого замыкания испытательные напряжения обмоток.
Мощность одного стержня одной фазы трехфазного трансформатора кВА:
-Sн – номинальная мощность кВА;
-m – число фаз трансформатора.
Номинальный (линейный) ток А обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора:
-UH – номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки кВ.
Фазные токи А напряжения В для обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора учитывая тип соединения обмоток:
Фазный ток обмотки высокого напряжения при соединении в «звезду» А:
Фазный ток обмотки низкого напряжения при соединении в «треугольник» А:
Фазное напряжение обмотки высокого напряжения при соединении в «звезду» кВ:
Фазное напряжение обмотки низкого напряжения при соединении в «треугольник» В:
Активная составляющая напряжения короткого замыкания %:
-Рк – потери короткого замыкания Вт;
-Sн – мощность трансформатора кВА.
Реактивная составляющая при заданном Uк %:
Классом напряжения трансформатора считают напряжение обмотки ВН. Каждому классу соответствует испытательное напряжение обмоток. Выберем по таблице 1.1. Uисп = 25 кВ.
Расчет основных размеров трансформатора.
Магнитная система является основой трансформатора. Плоская магнитная система стержневого типа проектируемого трансформатора показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Магнитная система трансформатора.
Основные размеры трансформатора: диаметр окружности в которую вписан стержень имеющий сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры; высота обмоток; средний диаметр двух обмоток или диаметр осевого канала между обмотками.
Стержни и ярма магнитной системы выполняют ступенчатыми из листов холоднокатаной текстурованной электротехнической стали марок 3411 3413 3414 толщиной 0.35 мм.
Стальные пластины заготовленные для сборки магнитной системы необходимо надежно изолировать одну от другой лаковой пленкой или жаростойким покрытием. При этом коэффициент заполнения стрежня или ярма сталью:
Кз = 0.93 – 0.94 - для однократной лакировки
Кз = 0.95 - 0.96 - для жаростойкого покрытия.
Коэффициент заполнения сталью площади круга в который вписан стержень:
-Ккр - коэффициент заполнения круга ступенчатой фигурой стержня.
Рекомендованные значения индукции магнитного поля в стержнях силовых масляных трансформаторов Вс взяты из таблицы 2.1. Вс = 1.60 Тл.
В качестве материала для обмоток трансформатора будем использовать алюминий.
Основным элементом всех обмоток трансформатора является виток. В зависимости от тока нагрузки виток выполняют одним проводом круглого или прямоугольного сечения. Обмоточный провод круглого или прямоугольного сечения изолируют лентами кабельной бумаги.
Тип конструкции обмотки ВН и НН выбирают по табл. 2.5 в соответствии с поминальной мощностью напряжением током одного стержня и поперечным сечением витка обмотки.
Ориентировочное сечение витка каждой обмотки мм2:
-- средняя плотность тока в обмотках предварительно выбираемая по табл.2.6= 12 - 2.5.
Тип обмотки – цилиндрическая многослойная из круглого провода
Основные достоинства - простая технология изготовления.
Основные недостатки – Ухудшение теплоотдачи и механической прочности с ростом мощности.
Материал обмотки - алюминий.
IФ - от 2 и до 125 А;
П - от 143 до 5024 мм2.
Число параллельных проводов – 1
Тип обмотки - цилиндрическая одно- и двухслойная из прямоугольного провода.
Основные достоинства - простая технология изготовления хорошее охлаждение.
Основные недостатки – малая механическая прочность.
IФ - от 10 и до 650 А;
П - от 721 до 300 мм2.
Число параллельных проводов – 1 - 8
3. Определение размеров главной изоляции обмоток.
Минимально допустимые изоляционные расстояния от обмоток до стержня и ярма между обмотками а также главные размеры изоляционных деталей в зависимости от мощности трансформатора для испытательных напряжений 5 - 85 кВ приведены в табл. 2.7 и 2.8 (рисунок 2).
Рисунок 2 – Размеры главной изоляции обмоток
Таблица 53 – Допустимые изоляционные расстояния для обмотки высокого напряжения
Таблица 52 - Допустимые изоляционные расстояния для обмотки низкого напряжения
Uисп для обмотки НН кВ
Минимально допустимую толщину изоляции на две стороны выбираем по таблице 2.9. Для проводов марки ПБ она составляет 0.3(0.40) мм.
На размер диаметра стержня магнитной системы влияют:
а)ширина приведенного канала рассеяния см:
-а12 – изоляционный промежуток между обмотками ВН и НН определяемый по испытательному напряжению обмотки ВН (табл. 53);
-второе слагаемое (приведенная ширина двух обмоток):
- – мощность трансформатора на один стержень кВА;
-ккр – коэффициент канала рассеяния по таблице 63 (значения приведены для трехфазных двухобмоточных трансформаторов с обмотками из алюминиевого провода; для обмоток из медного провода значение Ккр следует разделить на 125) зависящего от мощности трансформатора материала обмоток и напряжения обмоток ВН ккр = 077.
Габариты трансформатора
б)Величина - отношение средней длины окружности канала между обмотками к высоте обмоток принимаем в соответствии с табл. 61:
Рекомендуемые значения предусматривает получение трансформаторов с заданными потерями напряжением короткого замыкания.
Диаметр стержня см.:
-f = 50 Гц - частота питающей сети Гц;
-Uр - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания;
-Вс - индукция в стержне Т;
-Кс - коэффициент заполнения сталью площади круга;
-Кр = 0.95 - коэффициент приведения идеального поля к реальному;
- - мощность трансформатора на один стержень кВА.
d==01856 м=18.56 см.
Полученное значение d сравним с диаметрами нормализованной шкалы.
Примем ближайший нормализованный диаметр dн = 19 см.
Определим отношение:
Средний диаметр канала между обмотками см:
-а1 - радиальный размер обмотки НН.
d12 = 19 + 204 + 2177 + 09 = 2424 см.
После расчета основных размеров трансформатора находим активное сечение стержня (сечение стали) см2:
При окончательном расчете магнитной системы значение Пс может быть скорректировано на 05 – 10 %.
Расчет обмоток НН и ВН.
Основным элементом всех обмоток является виток. Находим электродвижущую силу одного витка В:
-f = 50 Гц - частота питающей сети Гц
-Вс – индукция в стержне определяется по таблице 2.1.
Uв=444fВсПс=444*50*15*0031=10323 В.
При заданном уровне потерь короткого замыкания РК средняя плотность тока в обмотках Амм2:
-C1 = 0.604 - коэффициент пропорциональности для алюминиевых обмоток;
-Kg - коэффициент учитывающий добавочные потери( по табл. 3.6) Kg = 0.9;
-Sн - номинальная мощность трансформатора кВ.А;
-UB - напряжение одного витка В по формуле (8);
-d12 - по формуле (5);
-PK - потери короткого замыкания Вт.
1. Расчет обмоток НН.
Расчет обмоток трансформатора начинают с обмотки низшего напряжения.
Находим число витков обмотки НН на одну фазу:
-Вс - из табл. 2.1;
-Пс - рассчитываем по формуле (7);
-f - 50 Гц - частота питающей сети Гц;
-UФ2 -номинальное фазное напряжение обмотки НН В.
Полученное значение округлили до ближайшего числа и находим ЭДС одного витка В:
Находим действительную индукцию в стержне Тл:
Определим сечение витка предварительно:
Провод: АПБ сечение – мм2; а = 5 мм; b = 118 мм.
Подобранные размеры проводов записывают в виде:
-а и b - размеры провода без изоляции мм;
-а1 и b1 - размеры провода в изоляции определяют по табл. 2.4 и 3.2;
-nB2 - число параллельных проводов.
Размеры провода в изоляции:
-- расчетная толщина изоляции на две стороны принимая по таблице 72
Полное сечение витка обмотки мм2:
П2 = nB2 ППР = 1.581 = 581 мм2
-ППР - сечение одного провода
Реальная плотность тока в обмотке Амм2:
Число катушек обмотки с каналами между всеми катушками:
Осевой размер масляного канала в трансформаторах S=160-6300 кВА и рабочим напряжение не более 35 кВ колеблется от 04 до 06 мм. Осевой размер масляного канала примем мм.
Число витков в катушке:
Высота обмотки с каналами между всеми катушками:
где - коэффициент учитывающий усадку изоляции после сушки и опрессовки обмотки равный 094 – 096. примем равны 095.
Радиальный размер обмотки см:
a’ - радиальный размер выбранного провода см
Внутренний диаметр обмотки см:
-a01 - ширина канала между обмоткой НН и стержнем по табл.52.
Наружный диаметр обмотки см:
Плотность теплового потока q2 Втм2 на поверхности обмотки НН:
Полученное значение q2 не должно превышать 1120 Втм2 для алюминиевых обмоток.
2. Расчет обмоток ВН.
В обмотке ВН выполняют ответвления для регулирования напряжения путем переключения без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток от сети. В ГОСТе предусмотрено пять ответвлений на + 5; + 2.5; 0; - 2.5; - 5% от номинального напряжения.
Выбор той или иной схемы зависит от мощности трансформатора схемы соединения фаз номинального напряжения типа обмотки ВН и осуществляется по табл. 2.5. При соединении обмотки ВН в «треугольник» схему регулирования не применяют. Выбираем схему регулирования с пятью регулировочными ответвлениями в конце.
Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении:
-UФ2 и UФ1 - номинальные фазные напряжения обмоток НН и ВН В.
Число витков на одной ступени регулирования:
Число витков обмотки на ответвлениях + 5; + 2.5; 0; - 2.5; - 5% от номинального напря6ения соответственно равно:
Предварительно плотность тока Амм2 в обмотке ВН:
- и - находят соответственно по формулам (9) и (17).
Сечение витка обмотки ВН мм2:
-Iф1 - номинальный фазный ток обмотки ВН А.
АПБ П1 = 353 мм2 d=2.12
-nB2 - число параллельных проводов витка;
-d – диаметр провода без изоляции мм;
-d1 - размеры провода в изоляции мм.
-0.3 мм - расчетная толщина изоляции
Полное сечение витка мм2:
- - номинальный фазный ток а обмотке ВН А.
Число витков в слое:
Рабочее напряжение двух слоев:
Uмсл = 2 сл1Uв=2*153*103=3151В
Число слоев кабельной бумаги – 1
Минимальную ширину масляного канала выбираем по таблице 9.2
Радиальный размер катушки без экрана:
Радиальный размер катушки с экраном:
a1экр = a1 +экр + 2мсл = 2286+05+1=2436 мм=00156 м
Минимальный радиальный размер осевого канала:
a12экр = a12 +экр + 2мсл = 9+05+1=105 мм=000105 м
Внутренний диаметр обмотки:
Наружный диаметр обмотки с учетом экрана:
Плотность теплового потока q1 Втм2 на поверхности обмотки НН:
Полученное значение q1 не должно превышать 1120 Втм2 для алюминиевых обмоток.
Расчет параметров короткого замыкания.
Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называют потери при установлении в одной из обмоток тока соответствующего номинальной мощности и замкнутой накоротко другой обмотке.
Потери короткого замыкания Рк в трансформаторе подразделяют на следующие составляющие:
-основные потери в обмотках НН и ВН вызванные рабочим током P01 и Р02;
-добавочные потери в обмотках НН и ВН от токов наведенных полем рассеяния;
-основные потери в отводах между обмотками и вводами Ротв1 и Ротв2;
-потери в стенках бака и других металлических элементах конструкции трансформатора вызванных полем рассеяния обмоток Р.
Средний диаметр см обмоток ВН и НН соответственно:
Масса металла кг обмоток НН и ВН соответственно:
G01 = К сDCР1 W1 П1 = 8478 3 046036 1121 000353= 3088 кг
G02 = К сDСР2 W2 П2 = 8478 3 0308 67 0058 = 2029 кг
-с – число активных стержней
-П1 и П2 - сечения витков обмоток.
Основные потери Вт в обмотках НН и ВН соответственно:
-К = 1275 - для алюминиевых обмоток;
-1 и 2 - реальная плотность тока в обмотках ВН и НН Амм2.
Масса металла обмотки ВН с учетом витков верхних ступеней регулирования кг:
G01(полн) = К сDCР1 W1 П1 = 8478 3 046036 1177 000353= 324 кг
Полная масса металла обмоток трансформатора кг:
Для расчета добавочных потерь в обмотках НН и ВН от потока рассеяния ФР (рис. 4) необходимо определить коэффициенты. Для обмоток из прямоугольного и круглого провода:
-m=Wсл*nв - число проводников в осевом направлении обмотки;
-bПР - размер прямоугольного провода в осевом направлении обмотки см;
-КР - коэффициент приведения поля рассеяния (КР = 0.93 – 0.98).
Коэффициенты учитывающие добавочные потери в обмотке НН КД1 и в обмотке ВН КД2 рассчитывают по формулам:
-n - число проводников в радиальном направлении обмотки;
-аПР - размер прямоугольного провода в радиальном направлении обмотки см;
-К - числовой коэффициент для алюминиевого круглого провода (0017) и прямоугольного (0037)
Расчет основных потерь в отводах обмоток НН и ВН сводится к определению длины проводников и массы металла отводов.
Сечение отвода НН и ВН Потв равно соответственно сечению витка обмотки. Общая длина отводов для соединения обмоток в «треугольник» и «звезду»:
Масса металла отводов кг обмотки ВН и НН:
-γ- плотность металла отводов ( = 2700 кгм3 для алюминия).
Основные потери в отводах обмотки НН и ВН соответственно Вт:
-К = 1275 - для алюминиевых обмоток.
Потери в стенках бака и других стальных деталях трансформатора Вт:
-Sн – номинальная мощность трансформатора кВА;
-К=00175 – коэффициент выбираемый по таблице 7.1.
Полные потери короткого замыкания Вт:
Потери короткого замыкания полученные по формуле (107) не должны превышать более чем на 5% значения в задании на проектирование трансформатора:
т.е. потри короткого замыкания не превышают значение в задании на проектирование трансформатора что допустимо ГОСТ 11677-75.
2. Расчет напряжения короткого замыкания.
Напряжением короткого замыкания UК двух обмоточного трансформатора называют напряжение которое следует подвести к одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке чтобы в обеих обмотках установились номинальные токи.
Напряжение короткого замыкания определяет падение напряжения в трансформаторе при нагрузке его внешнюю характеристику и ток короткого замыкания. Его рассчитывают в процентах от номинального напряжения первичной обмотки и учитывают при подборе трансформаторов на параллельную работу.
Рк – полные потери короткого замыкания Вт;
Sн – номинальная мощность трансформатора кВА.
Для определения реактивной составляющей напряжения короткого замыкания необходимо рассчитать ряд коэффициентов.
Числовой коэффициент:
d12 - средний диаметр канала между обмотками см.
Ширина приведенного канала рассеяния см:
а1 и а2 - радиальные размеры из расчетов обмоток НН и ВН см;
а12 - ширина канала между обмотками принимаемая по таблице 2.8.
Коэффициент учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального:
- числовой коэффициент.
Расчетный размер lх см определяющий различие по высоте обмоток НН и ВН зависит от типа обмотки ВН и схемы регулирования напряжения.
При вычислении lх следует считать что трансформатор работает на средней ступени регулирования напряжения BH когда через 2Wp витков обмотки не проходит ток нагрузки.
Коэффициент учитывающий взаимное расположение обмоток НН и ВН:
m - числовой коэффициент m = 0.75 при расположении обмоток как на рис. 76в;
l1 - высота обмотки НН см.
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания %:
f = 50 Гц - частота сети Гц;
S’ - мощность одной фазы трансформатора кВА;
Uв - напряжение одного витка В;
ар Кр Кq - числовые коэффициенты.
Напряжение короткого замыкания %:
Значение Uк не должно отличаться от Uк в задании на проектирование трансформатора более чем на 5%.
Требование выполняется.
Процесс короткого замыкания трансформатора являющийся аварийным режимом сопровождается многократным увеличением токов в обмотках по сравнению с номинальными токами повышенным нагревом обмоток и ударными механическими силами действующими на обмотки.
Проверка обмоток на механическую прочность при коротком замыкании включает:
расчет максимального тока короткого замыкания трансформатора;
определение механических сил между обмотками и их частями;
определение механических напряжений в изоляционных опорных и межкатушечных конструкциях и в проводах обмоток;
определение температуры обмоток при коротком замыкании.
Действующее значение установившегося короткого замыкания в обмотке ВН А:
IФН - номинальный фазный ток А;
Uк - напряжение короткого замыкания %.
В начальный момент времени ток короткого замыкания за счет апериодической составляющей может значительно превысить установившийся.
При этом максимальное мгновенное значение тока короткого замыкания:
Км - коэффициент учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания найдем его по формуле:
Радиальная сила действующая на обмотку ВН Н:
Радиальная сила действующая на обмотку ВН будет равна силе FР(нН) действующей на обмотку НН но с противоположного направления.
Поперечное поле рассеяния направление которого в верхних и нижних половинах обмоток прямо противоположно вызывает механические силы F1ос сжимающие обмотки в осевом направлении Н:
ар - ширина приведенного канала см.
Равномерное распределение витков по высоте обеих обмоток встречается только при использовании на стороне ВН многослойных цилиндрических обмоток.
Во всех других случаях возможно взаимное расположение обмоток при котором возникает второе поперечное поле вызывающее дополнительную осевую силу Н:
Напряжение сжатия на опорных поверхностях мПа:
FСЖ - сжимающая сила Н;
n - число прокладок по окружности обмотки равное числу реек;
а - радиальный размер обмотки мм;
b - ширина опорной прокладки b = (40 – 60)мм.
Температура обмотки через tсек после возникновения короткого замыкания С:
- плотность тока в рассматриваемой обмотке Амм2;
К = 55 - коэффициент для медных обмоток;
- начальная температура обмотки = 90С;
tк = 4 сек. - длительность короткого замыкания.
Так как вычисленное значение удовлетворяет условию 200С для алюминиевых обмоток следовательно обмотки выбраны верно.
Расчет магнитной системы трансформатора.
При расчете магнитной системы определяют размеры пакетов и активные сечения стержня и ярма высоту стержня расстояние между осями стержней ярм и всего магнитопровода.
По результатам расчета магнитной системы определяют потери в стали и ток холостого хода.
1. Определение размеров магнитной системы.
Число ступеней в сечении стержня толщину пакетов ширину пластин (пакетов) высоту сегмента принимают по табл. 5.1 в зависимости от диаметра стержня dH. В таблицах указана толщина пакетов мм в одной половине стержня. Число и размеры пакетов приведены для двух вариантов вертикальной стяжки магнитопровода (остова): без прессующей пластины и с прессующей пластиной. Стяжку с прессующей пластиной производят стальными пластинами соединяющими ярмовые балки и расположенными внутри обмотки НН. В этом варианте прессующую пластину размещают на место наиболее узкого пакета стержня уменьшая число пакетов на единицу с каждой половины стержня. Стержни с диаметром большим 220 мм прессуют только бандажами из стеклоленты.
Принята конструкция трехфазной плоской шихтованной магнитной системы собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки ЭЗЗОА 035 мм. Стержни магнитной системы прессуются бандажами из стеклоленты ярма — ярмовыми балками. Размеры пакетов выбраны по табл. 83 для стержня диаметром 19 см без прессующей пластины.
Число ступеней стержня принимаем 7 число ступеней ярма принимаем 6.
Форма поперечного сечения ярма в средней части повторяет сечение стержня. Площади поперечного сечения стержня Пфс и ярма Пя приведены в табл. 87 в зависимости от диаметра стержня dН. Эти сечения определены по размерам пакетов указанных в табл. 8.3.
Фрагмент таблицы 8.3.
Ширина крайнего пакета ярма мм
Толщина пакетов при ширине пластин мм
Без прессующей пластины
С прессующей пластиной
Активное сечение стержня и ярма см2:
Кз - коэффициент заполнения сталью зависящий от способа изоляции пластин Кз = 0.93 – 0.94 при однократной лакировке;
Пфс = 2628 см2; Пфя = 2673 см2 - из табл. 8.2.
Длина стержня трансформатора см:
l02 - расстояние от обмотки ВН до ярма (табл. 2.8) см.
Расстояние между осями соседних стержней см:
- внешний диаметр обмотки ВН см;
а22 - расстояние между обмотками ВН соседних стержней (табл. 2.8).
Масса стали в стержнях:
Масса стали угла магнитной системы кг при n ступенях в сечении стержня:
а1с а1я и т.д. - ширина стыкуемых пакетов стержня и ярма см;
b1с b1с и т.д. - толщина пакетов в половине сечения стержня см;
Кз - коэффициент заполнения сталью;
СМ - плотность холоднокатаной стали СМ = 7650 кгм3.
-объем угла магнитной системы = 4118 см3 по табл. 87
Масса стали ярм трехфазного стержневого трансформатора с плоской магнитной системой кг:
Масса стали стержней при многоступенчатой форме сечения ярма кг:
Полная масса плоской магнитной системы трансформатора кг:
Режим работы трехфазного трансформатора при питании от сети переменного тока одной из его обмоток и разомкнутой другой называют режимом холостого хода. Потери возникающие в трансформаторе в этом режиме называют потерями холостого хода.
Потери холостого ходя в трансформаторе Pк слагаются из магнитных потерь (гистерезис вихревые токи) в магнитопроводе потерь в стальных элементах конструкции трансформатора от потоков рассеивания электрических потерь в первичной обмотке от тока холостого хода и диэлектрических потерь в изоляции.
Диэлектрические потери в изоляции и электрические потери в первичной обмотке у силовых трансформаторов обычно малы и их можно не учитывать. Потери в стальных элементах конструкции трансформатора учитывают приближенно в виде добавочных потерь.
Магнитные потери составляют основную часть потерь холостого хода и рассчитывают их по экспериментально установленным зависимостям между индукцией магнитного поля и удельными потерями в стали Р (Вткг) при частоте 50 Гц.
Индукции в стержне Вс ярме Вя и в косом стыке Вст для установленных значений Пс и Пя Т:
Uв - ЭДС одного витка из расчета обмоток В;
f = 50 Гц - частота питающей сети;
Пя Пс - сечения стержня и ярма.
Удельные потери Р Вткг в холоднокатаных текстурованных сталях в зависимости от индукции приведены в табл. 5.5.
Удельные потери приведенные в табл. 5.5 справедливы лишь для случая когда направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки стали. При отклонении магнитного потока от направления прокатки следует учитывать увеличение магнитных потерь.
Пластины для стержней и ярм вырезают из листов холоднокатаной стали так чтобы направление потока в магнитопроводе совпадало с направлением прокатки. При сборке магнитной системы из пластин прямоугольной формы (рис 1 а б) направление магнитного потока в зоне стыков не совпадает с направлением прокатки стали. Это приводит к увеличению удельных потерь. При использовании косых стыков (рис. 1 в г) направления потока и прокатки стали в зоне стыков совпадают дополнительные потери меньше чем при прямых. Таким образом увеличение удельных потерь зависит от соотношения числа прямых и косых стыков в магнитопроводе и может быть учтено при расчете Рх коэффициентом Куп.
Резка стальных пластин закатка или срезание заусенцев после резки прессовка стержней и ярм при сборке магнитопровода расшихтовка и зашихтовка верхнего ярма для насадки обмоток на стержни приводят к увеличению потерь в стали. Общее увеличение потерь из-за технологических факторов может быть учтено коэффициентом Кпд = 1.23. Применение отжига пластин после их резки и закатки заусенцев приводит к уменьшению добавочных потерь. В этом случае коэффициент Кпд = 1.13.
Потери холостого хода в плоской магнитной системе стержневого типа Вт:
Куп=2.02 – коэффициент в соответствии с табл. 8.11;
Pс = 0.843 Вткг Pя = 0.187 Вткг - удельные потери в стержне и ярме;
Gя Gс Gу - массы стержней ярм и угла магнитопровода кг.
что на ниже заданного значения.
3. Определение тока холостого хода трансформатора.
Ток в первичной обмотке трансформатора протекающий при холостом ходе называют током холостого хода.
Активная составляющая тока холостого хода зависит от потерь холостого хода Px. Реактивная составляющая расходуемая на создание магнитного потока в трансформаторе зависит от намагничивающей мощности Qx.
Обычно вычисляют не абсолютное значение тока холостого хода и его составляющие а их относительные значения в % от номинального тока трансформатора.
Активная составляющая тока холостого хода %:
Рх – потери холостого хода Вт;
Sн – номинальная мощность кВА.
Для расчета реактивной составляющей тока холостого хода необходимо определить намагничивающую мощность трансформатора Qх которая состоит из намагничивающей мощности для немагнитных зазоров Qхз.
Составляющие намагничивающей мощности рассчитывают по экспериментально установленным зависимостям между индукцией магнитного поля и удельными намагничивающими мощностями стальных участков q и немагнитных зазоров qз В.Акг.
Намагничивающая мощность также как и потери холостого хода зависит от основных магнитных свойств стали магнитопровода и ряда конструктивных и технологических факторов которые увеличивают ее в большей мере чем потери холостого хода.
Увеличение намагничивающей мощности учитывают соответствующими коэффициентами:
Ктр - коэффициент учитывающий резку пластин (при отжиге после резки пластин и закатки заусенцев Ктр = 1.18);
Ктз - коэффициент учитывающий срезку заусенцев (при отжиге Ктз = 1.0);
Ктп - коэффициент учитывающий влияние прессовки стержней и ярм при сборке магнитопровода (для мощностей до 630 кВ.А Ктп = 1.045);
Ктш - коэффициент учитывающий расшихтовку и зашихтовку верхнего ярма при насадке обмоток (Ктш = 1.01);
Ктя – коэффициент учитывающий форму ярма. (Ктя=1)
К1ту и К11ту - коэффициенты учитывающие увеличение намагничивающей мощности соответственно в косом и прямом стыках магнитной системы определяют по табл. 8.19 (К1ту.=4 К11ту=9).
Кту = 26 - коэффициент учитывающие увеличение намагничивающей мощности в стыках магнитной системы определяют по табл. 8.20
Намагничивающая мощность стальных участков магнитной системы ВА:
Gс G’я Gу - массы стержней ярм и угловых частей магнитопровода кг;
= 0964 - удельная и намагничивающая мощность стержней и ярм ВАкг;
Ккос Кпр - число косых и прямых стыков в магнитной системе.
qз = 1176 – удельная намагничивающая мощность зазора ВАкг определяемая по табл. 8.8
nз – число стыков в магнитной системе.
Пз == 00437 -площадь зазора
При расчете намагничивающей мощности необходимо знать индукцию в стыках магнитопровода. Индукция при прямых стыках перпендикулярных оси стержня равна индукции в стержне Вс а в стыках перпендикулярных оси ярма - индукции в ярме Вя Т.
Полная намагничивающая мощность холостого хода трансформатора ВА:
Реактивная составляющая тока холостого хода %:
Sн - номинальная мощность трансформатора кВА.
Полный ток холостого хода %:
Полученное значение тока холостого хода не должно превышать заданного более чем на 15% т.е. на половину допуска разрешенного по ГОСТ 11677-75.
- на 73.3% меньше заданного. Условие выполняется.
Коэффициент полезного действия трансформатора %:
Рк Рх - потери короткого замыкания и холостого хода Вт;
Тепловой расчет трансформатора.
Во время работы трансформатора в его активных материалах - металле обмоток и стали магнитной системы - возникают потери энергии выделяющиеся в виде тепла. Обмотки и магнитная система начинают нагреваться постепенно повышая свою температуру. Вместе с ростом температуры возникает температурный перепад между обмоткой или магнитной системой и окружающей средой - трансформаторным маслом или воздухом. С появлением температурного перепада происходит теплоотдача от активных материалов к окружающей среде.
1. Тепловой расчет обмоток.
Тепловой расчет обмоток начинают с определения внутренних перепадов температуры: для обмотки НН и для обмотки BН.
Подсчет внутреннего перепада температуры в большинстве обмоток из прямоугольного провода упрощается тем обстоятельством что каждый провод одной или двумя сторонами своего сечения соприкасается с охлаждающим маслом. К таким обмоткам относятся обмотки с радиальными охлаждающими каналами (одно - и двухслойные цилиндрические винтовые непрерывная катушечная) выполняемые из прямоугольного провода. Внутренний перепад температуры в указанных обмотках является перепадом в изоляции одного провода С который определяют по формуле:
Перепад в изоляции одного провода С:
q - плотность теплового потока на поверхности рассматриваемой обмотки НН или ВН Втм2;
- толщина изоляции провода на одну сторону см;
из - теплопроводность изоляции провода Вт(см.С) определяют по табл. 6.1.
Изоляционный материал
Хлопчатобумажная лента лакированная
Бакелизированная полотняная лента
Электроизоляционный картон
Кроме внутреннего перепада температуры различают перепады на поверхности обмоток: для обмотки НН и для обмотки ВН которые зависят от плотности теплового потока соответственно q1 и q2 Втм2.
=1 для естественного масляного охлаждения;
=1 для внутренней обмотки ВН;
=1 по табл. 9.3 для
=11 для внутренней обмотки ВН;
=08 по табл. 9.3 для
Зная внутренний и внешний перепады температуры в обмотках посчитывают для каждой из них среднее превышение температуры обмотки над средней температурой охлаждающего масла:
2. Тепловой расчет бака трансформатора.
Для трансформаторов с естественным масляным охлаждением конструкцию бака выбирают по табл. 9.4 в зависимости от мощности трансформатора номинальная мощность рассчитываемого трансформатора составляет 250 кВА исходя из этого выбираем бак со стенками в виде волн.
Определяем ширину В и длину А бака:
С = 492 - расстояние между осями соседних стержней магнитопровода см;
S5 = 15- изоляционное расстояния для обмотки ВН см;
= 9 - изоляционное расстояние от внешней обмотки до стенки бака (табл. 10.7 Гончарук).
Определяем высоту активной части трансформатора см:
- высота стержня магнитопровода см = 45см;
- высота ярма магнитной системы см;
- толщина прокладки под нижнее ярмо (=3-5 см).
Глубину бака определяют по высоте активной части и минимальному расстоянию от верхнего ярма до крышки бака:
-расстояние от верхнего ярма до крышки бака принимают по таблице 95 в зависимости от класса напряжения трансформатора (=35 см).
Для выбранных размеров бака его поверхность излучения м2:
А В Н - размеры бака см;
К - коэффициент учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака для бака с волнами К = 14.
Допустимое превышение средней температуры масла над окружающем воздухом:
(для наиболее нагретой обмотки ВН). Найденное среднее превышение может быть допущено так как превышение температуры масла в верхних слоях в этом случае будет:
Принимая предварительно перепад на внутренней поверхности стенки бака и запас в находим среднее превышение температуры стенки бака над воздухом:
Находим ориентировочную необходимую поверхность конвекции м2:
Рк Рх – потери короткого замыкания и холостого хода трансформатора Вт.
Находим фактическая поверхность гладкого бака с учетом его от изоляторов части крышки м²
Здесь поверхность конвекции крышки бака м²
В трансформаторах мощностью от 40 до 1600 кВА выбираем бак с одним рядом овальных труб.
Из табл. 9.7:Овальная труба (7.2 х 2.0) один ряд Пм = 0.16 м2;
Шаг см: tр = 10 tТ = 5; толщина стенки 0.15 см;
Поперечное сечение в свету 8.9 см2;
Радиус изгиба R = 18.8 см;
Прямой участок трубы внутреннего ряда а1 = 5 см;
Прямой участок трубы второго ряда а2 = а1+ tр = 5 + 10 = 15см;
Расстояние между осями труб для наружного ряда (для овальных труб при а2 = 15 см) по табл. 9.8;
в 1м кг: металла - 1.82 масла в трубе - 0.79.
Для одного ряда труб:
Необходимая поверхность конвекции труб трансформатора м2:
- поверхность конвекции гладкого бака трансформатора;
- необходимая поверхность конвекции трансформатора.
Необходимая фактическая поверхность труб м2:
Кф - коэффициент учитывающий улучшение теплоотдачи путем конвекции с помощью труб по сравнению с вертикальной гладкой стенкой бака; для одного ряда труб (по табл. 9.6) Кф = 14.
При поверхности 1 м трубы 016 (табл. 9.7) необходимо иметь общую длину труб:
Число труб в ряду для обеспечения этой общей длины должно быть:
=016*1806*14=4045 м2
Фактическая поверхность конвекции м2 бака с трубами:
п - число рядов труб;
А В Н - размеры бака см;
- поверхность крышки бака;
R - радиус закругления труб;
d - больший размер поперечного сечения овальной трубы.
Поверхность конвекции бака:
- и- коэффициенты определяемые по таблице. 9.6;
- -коэффициент для поверхности крышки учитывающий закрытие части поверхности крышки изоляторами вводов ВН и НН и различной арматурой.
3.Расчет превышений температуры обмоток и масла в трансформаторе.
Среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом С:
Пи Пк - фактические поверхности излучения и конвекции;
Рх Рк - потери холостого хода и короткого замыкания трансформатора Вт.
Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над стенкой бака С:
Пк - фактическая поверхность конвекции м2 для принятой конструкции бака трансформатора.
Превышение температуры масла над окружающим воздухом С:
Превышение температуры масла в верхних слоях над окружающим воздухомС:
Превышение температуры обмоток над окружающим воздухом С для обмоток ВН и НН подсчитывают отдельно по формуле:
Превышение температуры обмоток и масла в верхних слоях над окружающим воздухом не должно превышать согласно ГОСТ 11677-75 следующих величин:
Данные требования выполняются.
Стандартный трансформатор
Номинальная мощность кВА
Номинальное напряжение кВ
Вывод: Спроектированный трансформатор отличается от стандартного трансформатора типа ТМ-25020 в пределах допустимых значений установленных ГОСТ 11677-75 что допустимо.